研 究 報 告 長崎県窯業技術センター研究報告（平成20年度）

新規なリン吸着材を活用した排水高度処理システムの構築　■　13

１．はじめに

　閉鎖性水域として代表的な本県の大村湾は、海水の

出入りが少なく、各種排水、山林や田畑からの流入水

に含まれるリン、窒素等が蓄積されやすい。そのため、

湾全体の富栄養化が進行し、赤潮や有害藻類の異常

発生などが深刻になっている。水産業や周辺県民への

影響は大きく、富栄養化を抑制するためにはリンの削

減が不可欠である1), 2)。このようなリン除去を目的とし

た高度処理は一部の下水処理施設に導入されているだ

けで、リンの大部分は未処理のまま放流されている。

　本研究は、H17～18年度に開発した水環境中のリン

を吸着し、尚且つ吸着したリンを脱着することでリン資

源として回収可能な金属酸化物系リン吸着材3), 4)の実用

化に向け、通水法による吸着材評価、吸着材の改良、

吸着材を活用した排水高度処理システムの開発を行う

ことを目的とした。

２．実験方法

　2 . 1　リン回収型排水高度処理システムの作製

　本研究ではリン回収型排水高度処理システムとして、

メリーゴーランド方式を採用した。メリーゴーランド方

式とは、ろ材等を充填する複数の吸着塔、送液管、

送液ポンプ、各種の弁、原水槽等の貯留槽、制御装

置等により構成され（図1）、弁の制御により複数の吸

着塔のいずれかで排水中のリンを吸着除去する「リン

吸着工程」、吸着材に付着したリンを脱着する「リン脱

着工程」を切り替え、あたかもメリーゴーランドのよう

に各工程を順繰りに制御する方式（図2）である。

　開発したリン吸着材（図3）を充填する吸着塔として

アクリルパイプ、送液管としてタイゴン製チューブ、送

液ポンプとしてデジタル定量ポンプ、弁は手動の3方弁

を用いて実験室レベルの排水高度処理システムを作製

した。

　2 . 2　模擬排水を用いた既開発リン吸着材の

　　　　通水法によるリン吸着性能評価

　作製した排水高度処理システム（図4）を用いた既

開発リン吸着材3), 4)の通水法によるリン吸着性能を評価

するために、小規模事業所排水のリン濃度を想定した

5 mg/Lのリン酸二水素カリウム水溶液KH2PO4水溶液、

以下、模擬排水）を調製した。既開発リン吸着材（コ

バルト系およびジルコニウム系）を吸着塔に約10 g充

填し、流速0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 mL/minで模擬排

水をワンパスで通水し、種々の時間に吸着材によって処

理された試験水をサンプリングした後、リン酸イオン濃

度をモリブデンブルー法によって測定することでリン吸

要　　約

　本研究では、H17～18年度に開発した金属酸化物系リン吸着材の実用化を目的に、通水法による吸着材の能力

評価、吸着材の改良、吸着材を活用した排水高度処理システムの開発について検討した。製作した排水高度処理

システムに開発した吸着材を充填し、模擬排水を用いて通水法により吸着材のリン吸着能を評価した。コバルト系

およびジルコニウム系リン吸着材において空間速度10.4 h-1以下の条件でリン除去率80%以上を達成し、その吸着

容量はコバルト系で1.1 mg-P/g程度、ジルコニウム系で1.7 mg-P/g程度であった。さらに表面にリンを吸着した状

態の吸着材に脱着液として0.1N-NaOHを循環式の通水法で接触させたところ、コバルト系で最大80%程度、ジル

コニウム系で最大70%程度のリンの脱着が認められた。

キーワード：オルトリン酸イオン、吸着脱リン、リン資源、富栄養化、排水処理

新規なリン吸着材を活用した排水高度処理システムの構築

─経常研究─

研究開発科　高松宏行・永石雅基

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14　■　新規なリン吸着材を活用した排水高度処理システムの構築

　着能を評価した。なお、リン吸着能の評価では、リ

ン除去率80%以下となった時点で吸着材のリン吸着限

界とした。

　2 . 3　既開発リン吸着材の通水法によるリン

　　　　脱着性能評価

　リン吸着材のリン脱着性能は、吸着材表面に種々の

吸着量でリンが付着した状態の吸着材10 gを用い、

0.1N-NaOH水溶液（以下、脱着液）420 mLを流速

5.0 mL/minの条件で循環通水し、種々の時間で脱着

液をサンプリングした後、リン酸イオン濃度をモリブデ

ンブルー法によって測定することで評価した。

　ここで吸着試験では通水式、脱着試験では循環通

水式としたのは、本技術の実用化を想定し、吸着工程

では排水をワンパスで処理して放流する必要があるこ

と、脱着工程ではワンパスの通水法を採用すると脱着

液貯留槽と脱着液受け槽の2基が必要になるが、循環

通水式とすることで脱着貯留槽と脱着液受け槽を兼用

できるため、システムのコンパクト化および低コスト化

が期待されるためである。

　2 . 4　リン吸着材の改良

　既開発リン吸着材と同様のプロセス3), 4)でマクロ形状

および比表面積の異なる多孔質基材を用いたもの、担

持する金属酸化物を変えたものなど十数種類の改良吸

着材を作製した。

　2 . 5　実排水等を用いたリン吸着材のリン

　　　　吸着性能評価

　既開発リン吸着材3), 4)および改良吸着材について、

吸着材重量に対し100倍量のリン濃度が約5 mg/Lの

活魚水槽中の海水およびリン濃度が約25 mg/Lの畜産

排水を接触させることで回分法によるリン吸着試験を実

施した。ここで、リン吸着試験に供した海水は、メジ

ナ等の魚類およびマガキガイ等の貝類を飼育している

富栄養化が進行した活魚水槽より採取したものであり、

オルトリン酸イオン以外の様々なイオンが溶存した複雑

系の試験水、畜産排水は、豚の屎尿であり、高濃度

のオルトリン酸イオンの他、様々なイオン種や浮遊物

質（SS成分）の入り混じった複雑系の試験水である。

図１　メリーゴーランドシステムの概念

図２　メリーゴーランド法によるリン吸脱着工程

　　　の切替え

図３　リン吸着材の外観

図４　排水高度処理システムの外観

(a)コバルト系　　　 　(b)ジルコニウム系

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新規なリン吸着材を活用した排水高度処理システムの構築　■　15

３．結果及び考察

　3 . 1　既開発リン吸着材の通水法によるリン

　　　　吸着性能

　コバルト系リン吸着材の通水法によるリン吸着試験

結果を図5に示す。図5はリン酸イオン濃度の減少をリ

ン除去率に換算したものである。また、模擬排水の流

速と吸着材の充填体積より空間速度（SV）を算出した

ところ、各流速0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 mL/minに対

応するSVは2.6、5.2、10.4、15.6、26.2 h-1であった。

図5よりSV 10.4 h-1以下で目標とするリン除去率80%

以上となる状況が10h以上持続する結果となった。リ

ン除去率80%を長期間維持したSV 2.6 h-1の結果より

リン除去率80%以下となった時点で吸着材のリン吸着

限界としてリン吸着容量を算出したところ1.1 mg-P/gで

あった。回分法（バッチ法）によるリン吸着容量は2.3

mg-P/g4)であったのに対し、通水法では1.1 mg-P/gと

50%以下の吸着容量であった。これは、回分法と比較

して通水法では吸着材への模擬排水の接触時間が極端

に短いためであると考えられる。

　次にジルコニウム系リン吸着材の通水法によるリン吸

着試験結果を図6に示す。図6よりコバルト系と同様、

SV 10.4 h-1以下で目標とするリン除去率80%以上とな

る状況が10h以上持続する結果となった。ただし、ジ

ルコニウム系では、模擬排水通水直後は充分なリン除

去率が得られず、充分なリン吸着能が発現するまでに

時間を要する傾向が認められた。リン除去率80%を長

期間維持したSV 2.6 h-1の結果よりコバルト系同様リン

吸着容量を算出したところ1.7 mg-P/gであった。

図６　ジルコニウム系リン吸着材の通水法に

　　　よるリン吸着試験結果

図８　ジルコニウム系リン吸着材のリン脱着液

　　　循環通水法によるリン脱着試験結果

図５　コバルト系リン吸着材の通水法による

　　　リン吸着試験結果

図７　コバルト系リン吸着材のリン脱着液循環

　　　通水法によるリン脱着試験結果

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16　■　新規なリン吸着材を活用した排水高度処理システムの構築

回 分 法（バッ チ 法）に よるリン 吸 着 容 量 は6.9

mg-P/g4)であったのに対し、通水法では1.7 mg-P/gと

25%以下の吸着容量であった。これもコバルト系同様、

吸着材への模擬排水の接触時間の違いによるものと考

えられる。

　3 . 2　既開発リン吸着材の循環通水法による

　　　　リン脱着性能

　コバルト系リン吸着材のリン脱着液循環通水法によ

るリン脱着試験結果を図7に示す。図7は吸着材表面

に吸着されたリンの量が異なるサンプルについて、そ

の脱着傾向をプロットしたものであり、リン酸イオン濃

度の増加はリン脱着率に換算している。図7より吸着材

表面に吸着されていたリンの量によってリン脱着率の値

に変動はあるものの、リン脱着率は脱着液循環後2～4hで最大80%程度となることがわかった。また、脱

着液循環時間によってもリン脱着率の変動がみられた。

これはリン濃度を測定するための脱着液のサンプリング

を吸着塔の出口で行っているために脱着液循環の初期

段階では脱着したリンが脱着液中に平均化されていな

い状態のサンプル液を測定したことでリン濃度の値が

極端にばらついたが、循環時間の増加に伴い脱着液中

のリンが均一化され、平衡状態に達したため、循環

24h後ではリン濃度の値のばらつきが低減したものと考

えられる。

　次にジルコニウム系リン吸着材のリン脱着液循環通

水法によるリン脱着試験結果を図8に示す。図8より

コバルト系同様吸着材表面に吸着していたリンの量に

よってリン脱着率の値に変動はあるものの、リン脱着

率は脱着液循環後2～4hで最大70%程度となることが

わかった。また、ジルコニウム系についてもコバルト系

と同様リン脱着率の変動がみられた。

　3 . 3　実排水等からのリン吸着性能

　　既開発のコバルト系吸着材ならびに改良吸着材の

一例としてインジウム系およびコバルト系多孔質基材違

いの吸着材（図9）について海水を用いて実施したリ

ン吸着試験の結果を図10に示す。図10より、吸着材

の試験水への接触後6hで60～70%程度、接触後24h

で90%程度のリン除去率を示し、その値は改良材で

概ね高い傾向が認められた。特に、コバルト系多孔質

基材違いの吸着材で高いリン除去率を示したが、これ

は基材の粒径が小さく比表面積が大きいため、海水と

の接触効率が向上したことによるものと推察される。 図11　畜産排水を用いたリン吸着試験結果

図10　海水を用いたリン吸着試験結果

図9　改良リン吸着材の一例

(a)インジウム系 　 (b)コバルト系基材違い

　さらに、既開発のコバルト系、ジルコニウム系リン

吸着材について畜産排水を用いて実施したリン吸着試

験の結果を図11に示す。

研 究 報 告 長崎県窯業技術センター研究報告（平成20年度）

新規なリン吸着材を活用した排水高度処理システムの構築　■　17

図11より、吸着材の畜産排水への接触後6hで30%程

度、接触後24hで75%程度、接触後30hで80%程度

のリン除去率を示し、その値はコバルト系吸着材で概

ね高い傾向が認められた。

　以上より、模擬排水のみならず、様々なイオン種や

SS成分が含まれる海水や畜産排水から、リン濃度が低

い場合でも高い場合でもリンを吸着除去することが可

能であることが明らかとなった。

４．まとめ

　リン回収型排水高度処理システムの骨子を作製し、

開発したリン吸着材のリン吸脱着性能評価を実施し、

以下の知見を得た。

(1）通水法によるコバルト系吸着材のリン吸着能試験

より、SV 10.4 h-1以下で目標とするリン除去率80%以

上となる状況が10h以上持続し、SV 2.6 h-1の条件下に

おいてリン吸着容量を算出したところ1.1 mg-P/gであっ

た。

(2）通水法によるジルコニウム系吸着材のリン吸着能試

験より、SV 10.4 h-1以下で目標とするリン除去率80%

以上となる状況が10h以上持続し、SV 2.6 h-1の条件下

においてリン吸着容量を算出したところ1.7 mg-P/gで

あった。

(3）回分法と比較して通水法では少ないリン吸着容量

を示したが、これは回分法と比較して通水法では吸着

材への模擬排水の接触時間が極端に短いためであると

考えられた。

(4）循環通水法によるコバルト系吸着材のリン脱着能

試験より、吸着材表面に吸着していたリンの量によって

リン脱着率の値に変動はあるものの、リン脱着率は脱

着液循環後2～4hで最大80%程度となることがわかっ

た。

(5）循環通水法によるジルコニウム系吸着材のリン脱着

能試験より、吸着材表面に吸着していたリンの量によっ

てリン脱着率の値に変動はあるものの、リン脱着率は

脱着液循環後2～4hで最大70%程度となることがわ

かった。

(6）既開発のコバルト系吸着材ならびに改良吸着材に

ついて海水を用いたリン吸着試験を実施し、吸着材の

海水への接触後24hで90%程度のリンを除去可能であ

ることがわかった。

(7）海水を用いたリン吸着試験で、改良吸着材で概ね

高いリン除去率を示したが、これは基材の粒径が小さ

く比表面積が大きいため、海水との接触効率が向上し

たためと推察された。

(8）既開発のコバルト系、ジルコニウム系リン吸着材に

ついて畜産排水を用いたリン吸着試験を実施し、吸着

材の畜産排水への接触後24hで90%程度のリンを除去

可能であることがわかった。

(9）海水や畜産排水からもリンを吸着除去することが

可能であることが確認されたことから、各種排水や淡

水・海水を選ばず富栄養化した環境水より余剰のリン

を除去し、富栄養化問題を改善するだけでなく、除去

したリンを資源として回収・利活用するための技術とし

て応用展開が期待できる。

文　　献

１）稲森悠平、藤本尚志、須藤隆一、用水と廃水、

　　35、pp. 19-26 (1993).

２）稲森悠平、野田尚宏、須藤隆一、資源環境対策、

　　37、pp. 141-146 (2001).

３）高松宏行、阿部久雄、平成17年度長崎県窯業技

　　術センター研究報告、pp. 46-49 (2005).

４）高松宏行、阿部久雄、平成18年度長崎県窯業技

　　術センター研究報告、pp. 6-11 (2006).